암흑물질 사냥꾼 XENONnT가 태양 중성미자를 본 방법

암흑물질을 찾기 위해 만들어진 XENONnT가 이번에는 태양의 중심부에서 날아온 가장 낮은 에너지 영역의 중성미자를 포착했다. 이탈리아 그란사소 국립연구소에서 XENON 협력단이 발표한 결과에 따르면, XENONnT는 전자와 산란하는 저에너지 태양 중성미자를 처음 관측했으며 직접 관측의 에너지 문턱을 약 17keV까지 확장했다. 이는 지금까지 보고된 중성미자 관측 문턱 중 가장 낮은 수준이다. 신호는 태양의 주된 핵융합 과정에서 나오는 pp 중성미자가 지배한다. 22

중성미자는 어떻게 흔적을 남겼나

중성미자는 물질과 거의 상호작용하지 않는다. 하지만 아주 드물게 액체 제논 속 전자와 탄성 산란을 일으키면 전자에 작은 반동 에너지를 전달한다. 이 반동은 두 종류의 신호를 만든다.

• 액체 제논에서 즉시 발생하는 섬광 신호
• 방출된 전자가 기체 영역으로 추출될 때 생기는 전기발광 신호

두 신호의 시간 차이와 크기를 함께 측정하면 사건의 에너지와 검출기 내부 위치를 재구성할 수 있다. 연구진은 특정 중성미자의 단일 ‘충돌 장면’을 찾아낸 것이 아니다. 대신 수많은 전자 반동 사건의 에너지 분포에서 태양 중성미자에 해당하는 통계적 패턴을 찾아 방사성 물질과 검출기 자체에서 생기는 배경과 비교했다.

여기서 말하는 약 17keV는 측정이 접근한 중성미자의 에너지 영역을 뜻한다. 중성미자가 그 에너지를 전자에 그대로 전달한다는 의미는 아니다. 발표된 결과는 저에너지 태양 중성미자의 첫 관측으로 설명됐으며, 검출된 신호는 pp 중성미자가 주도한다. 22

태양의 동력을 알려주는 pp 중성미자

pp 중성미자는 태양의 양성자-양성자 융합 사슬이 시작되는 첫 반응에서 생성된다.

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

이 반응은 수소가 헬륨으로 바뀌는 일련의 핵융합 과정을 가동한다. 태양 에너지의 대부분을 공급하는 과정이 바로 이 양성자-양성자 사슬이기 때문에, pp 중성미자는 태양 중심부의 핵융합을 직접 알려주는 메신저다.

빛은 태양 중심부에서 만들어진 에너지를 표면으로 전달하는 데 오랜 시간이 걸린다. 반면 중성미자는 생성된 곳에서 거의 곧바로 빠져나와 지구에 도달한다. 따라서 pp 중성미자의 양과 에너지 분포를 측정하면, 우리가 보는 햇빛만으로 추정하는 것보다 태양 중심부의 핵융합 상태를 더 직접적으로 점검할 수 있다.

5.9톤의 액체 제논과 배경 억제 기술

XENONnT의 중심에는 5.9톤의 액체 제논을 능동 표적으로 사용하는 이중상 시분할 투영함이 있다. 표적의 질량이 클수록 매우 드문 중성미자 상호작용을 포착할 기회가 늘어난다. 또한 섬광과 이온화 신호를 함께 읽으면 사건의 에너지와 3차원 위치를 정밀하게 재구성할 수 있다. 5

문제는 중성미자 자체보다 배경 신호일 수 있다. 라돈과 그 붕괴 생성물은 저에너지 전자 반동을 만들어 중성미자-전자 산란과 비슷한 흔적을 남긴다. XENON 협력단은 이를 줄이기 위해 액체 제논에서 라돈을 지속적으로 분리하는 온라인 극저온 증류 시스템을 개발했다.

그 결과 능동 표적 안의 (^{222}\mathrm{Rn}) 방사능 농도는 약 (0.90\ \mu\mathrm{Bq/kg})까지 낮아졌다. 이 수준에서는 라돈이 만드는 배경이 태양 중성미자가 만드는 피할 수 없는 배경과 비슷해진다. 1819 이탈리아 그란사소 산 아래 깊은 지하에 검출기를 설치한 것도 우주선으로 유발되는 사건을 줄이는 데 도움이 됐다. 결국 연구진은 거대한 잡음 속에서 개별 사건을 골라내는 대신, 남은 사건들의 에너지 스펙트럼을 통계적으로 맞춰 미약한 태양 중성미자 신호를 분리할 수 있었다. 22

2024년 보론-8 결과와는 무엇이 다른가

이번 측정은 XENONnT가 2024년에 발표한 결과와 다른 산란 경로를 사용한다.

당시 연구진은 태양의 보론-8((^{8}\mathrm{B})) 중성미자가 제논 원자핵과 일으키는 일관성 탄성 중성미자-핵 산란, 즉 CEνNS를 조사했다. 이 과정에서는 중성미자가 제논 원자핵에 반동을 일으킨다. 해당 분석은 배경만 있는 가설에 대해 2.73σ의 지표를 얻었지만, 5σ 발견 기준에 이른 것은 아니었다. 23

이번에는 중성미자가 원자핵이 아니라 전자와 산란하는 전자 반동 채널을 이용했다. 두 결과를 나란히 놓으면 XENONnT가 태양 중성미자의 서로 다른 흔적을 모두 볼 수 있다는 점이 드러난다.

• 전자 반동: 전자와 산란하는 과정으로, 저에너지 pp 중성미자 측정에 적합하다.
• 핵반동: CEνNS로 제논 원자핵이 반동하는 과정이며, 2024년 보론-8 중성미자 분석에 사용됐다.

서로 다른 채널은 태양 중성미자 에너지 스펙트럼과 태양 내부 물리의 서로 다른 부분을 보여준다.

암흑물질 연구를 따라오는 ‘중성미자 안개’

태양 중성미자는 암흑물질 실험에서 양면성을 지닌다. 한편으로는 태양의 핵융합을 알려주는 귀중한 신호지만, 다른 한편으로는 WIMP가 남길 것으로 예상되는 반동과 비슷한 사건을 만든다. 중성미자는 물질을 거의 그대로 통과하기 때문에 차폐재로 완전히 막을 수도 없다.

이처럼 제거할 수 없는 중성미자 배경은 흔히 ‘중성미자 안개’라고 불린다. 다만 이는 넘을 수 없는 절대적 벽이라기보다, 감도가 높아질수록 통계적 구분이 어려워지는 영역에 가깝다. 에너지 분포, 서로 다른 표적 물질의 비교, 입자의 진행 방향 정보, 태양 중성미자 플럭스에 대한 지식이 충분하다면 WIMP 신호와 중성미자 신호를 통계적으로 구분할 여지는 남아 있다.

그러나 감도를 계속 높일수록 개선 폭은 작아지고 계통오차의 중요성은 커진다. XENONnT의 2024년 CEνNS 지표는 암흑물질 검출기가 이 핵반동 중성미자 배경을 직접 마주하기 시작했다는 초기 사례였다. 12

XLZD는 무엇을 더 보여줄까

차세대 액체 제논 관측소인 XLZD는 기본 설계에서 약 60톤의 능동 표적을 갖고, 제논 수급 여건에 따라 최대 80톤까지 확대할 수 있도록 계획됐다. 이는 XENONnT보다 능동 액체 제논 질량이 대략 한 자릿수 배 큰 규모다. XLZD는 WIMP 탐색뿐 아니라 저에너지 태양 중성미자 연구도 주요 과제로 삼는다. 3235

표적이 커지면 단순히 사건 수만 늘어나는 것이 아니다. 더 많은 pp 중성미자 표본을 확보해 태양 중성미자의 플럭스와 에너지 분포를 정밀하게 측정하고, 태양에서 지구로 오는 동안 전자 중성미자가 살아남을 확률도 더 정확히 조사할 수 있다. 동시에 WIMP 상호작용이 중성미자 안개 수준에 접근하는 영역까지 암흑물질 탐색을 확장할 수 있다. 3239

XENONnT가 보여준 핵심은 암흑물질 탐색과 태양 중성미자 천문학이 더 이상 별개의 연구가 아니라는 점이다. 극도로 깨끗한 검출기, 낮은 방사성 배경, 미세한 신호를 읽어내는 동일한 기술이 암흑물질 후보뿐 아니라 태양 중심부의 핵융합이 남기는 거의 보이지 않는 흔적까지 드러내고 있다.